Ученые разработали светящиеся комплексы металлов, которые позволяют с высокой точностью измерять температуры до 400°С. Использование в одном веществе двух элементов — тербия и европия, — между которыми происходит перенос энергии, позволяет исключить дополнительную калибровку термометра. Точность измерений высоких температур повышается за счет так называемого эффекта «внутреннего стандарта», то есть сравнения интенсивности свечения этих металлов. Разработанная система позволит в режиме реального времени отслеживать перегрев двигателей самолетов и труб на заводах.

Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Sensors and Acuators: A. Physical.

Люминесценция — это явление, при котором какой-либо объект светится, когда его, например, облучают светом определенных длин волн. На сегодняшний день такое свойство используется и для высокоточной люминесцентной термометрии. Она основана на способности вещества изменять яркость, цвет и время свечения в ответ на нагрев или охлаждение. Этот подход — один из возможных методов оценки температур порядка 400°С, которые достигаются в двигателях и газопроводах.

Кроме того, люминесцентная термометрия позволяет проводить непрерывные измерения в реальном времени и даже составлять температурные карты. Они нужны, например, для оценки распространения тепла по деталям самолета, так как если наиболее нагретая зона придется на двигатель, то он может выйти из строя. Вместе с тем, до сих пор не разработаны безопасные и эффективные методы применения люминесцентной термометрии для решения подобных задач.

Группа ученых из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва) и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН (Москва) исследовала два химических элемента, тербий и европий, а также их комплексы с тремя разными органическими анионами-лигандами (ими стали ионы гидроксибензойной кислоты) в качестве возможных материалов для люминесцентной термометрии. Чтобы их получить, авторы смешивали в спирте растворы гидроксида металла и анионов, затем осадок отфильтровывали, а жидкость выпаривали.

Специалисты показали, что комплекс, включающий в себя только европий, не обладал люминесценцией, тогда как соединения тербия, напротив, продемонстрировали хорошее свечение. Авторы предположили: соединения с европием не излучают потому, что энергия возбуждения передается между органическими лигандами и элементом недостаточно эффективно. Тогда могло бы помочь добавление к ним тербия, поскольку он отдаст европию часть собственной энергии, и процессы ее переноса станут эффективнее. Эксперимент подтвердил эту догадку: эффективность люминесценции европия возросла от 0% до 77%.

Визуализация распространения тепла через самолетик, нагреваемый горячим потоком спереди, модель покрыта тонкой пленкой изучаемого комплекса. Источник: Tcelykh et al. / Sensors and Actuators: A. Physical, 2022

Чтобы продемонстрировать применимость своей системы в термометрии, ученые покрыли поверхность игрушечного металлического самолетика тонкой пленкой комплекса европия и тербия, а затем нагрели модельку с помощью строительного фена. В результате специалисты наблюдали градиентное изменение цвета: спереди, откуда шел теплый поток, температура была выше, и европий светился оранжевым, а в хвосте, где меньше тепла, — преобладало зеленое свечение тербия.

«Полученные нами соединения сочетают высокую стабильность и интенсивность люминесценции, а также точность определения температур в диапазоне до 400°С. Материалы и тонкие пленки на их основе можно использовать для бесконтактного измерения высоких температур, в том числе картирования. В дальнейшем мы планируем расширить доступный интервал температур, повысить интенсивность люминесценции, а также получить термометры со свечением в инфракрасном диапазоне, где рассеяние света минимально», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валентина Уточникова, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.